Modifica di Bosoni W e Z

{{Infobox particella
| bgcolour =
| nome = Bosoni W<sup>±</sup> e Z
| image = 
| caption = 
| num_types = 
| composizione = [[Particelle elementari]]
| famiglia = [[Bosone (fisica)|Bosoni]]
| gruppo = [[Bosoni di gauge]]
| interazione = [[Interazione debole]]
| teorizzata = [[Sheldon Glashow|Glashow]], [[Steven Weinberg|Weinberg]], [[Abdus Salam|Salam]] ([[1968]])
| scoperta = Collaborazione [[UA1]] e [[UA2]], [[1983]]
| simbolo = {{Particella subatomica|Bosone W+-}} e {{Particella subatomica|Bosone Z0}}
| massa = W: 80,385±0,015&nbsp;[[GeV]]/[[velocità della luce|c]]<sup>2</sup> [http://lepewwg.web.cern.ch/LEPEWWG/ LEP EWWG Home Page]<br /> Z: 91,1876±0,0021&nbsp;[[GeV]]/[[velocità della luce|c]]<sup>2</sup> [http://pdglive.lbl.gov/Rsummary.brl?nodein=S044&fsizein=1 PDGLive Particle Summary]
| decay_time = 
| decay_particle = 
| carica_elettrica = W<sup>±</sup>: ±1&nbsp;[[carica elementare|e]]<br /> Z: 0&nbsp;[[carica elementare|e]]
| color_charge = 
| spin = 1
| num_spin_states = 
|Sottofamiglia=}}

I '''bosoni W e Z''' sono i [[Bosone di gauge|bosoni di gauge]] della [[interazione debole]].

In quanto [[Bosone (fisica)|bosoni]] con [[spin]] pari a 1, appartengono alla classe dei [[Bosone vettore|bosoni vettori]]. Vengono definiti anche ''bosoni vettori intermedi'' e ''astenoni''.

== Proprietà ==
Esistono due tipi di bosone W, uno con [[carica elettrica]] +1 e l'altro con carica -1 (in unità di carica elettrica elementare), e sono l'uno l'[[antiparticella]] dell'altro. 
Il bosone Z o (Z<sup>0</sup>) è neutro.
Tutti e tre i bosoni sono molto massivi (circa 100 volte più del [[protone]]) e hanno una [[vita media]] breve (3x10<sup>-25</sup> s). La loro massa elevata rende ragione del corto raggio delle interazioni deboli (al contrario, l'[[interazione elettromagnetica]] ha raggio infinito perché il suo bosone, ovvero il [[fotone]], è privo di [[Massa (fisica)|massa]]). I tre bosoni hanno tutti [[spin]] 1.

== I bosoni W, Z e l'interazione debole ==
[[File:Beta Negative Decay.svg|thumb|left|upright=1.3|Il [[diagramma di Feynman]] per il decadimento beta di un neutrone in un protone, un elettrone e un antineutrino elettronico tramite un bosone W.]]
I processi mediati da W<sup>+</sup> e W<sup>-</sup> si dicono processi di corrente di [[carica debole]] in quanto i bosoni possono aumentare o diminuire di un'unità la [[carica elettrica]] della particella generata dal processo rispetto a quella della particella iniziale. Essi possono inoltre cambiare il [[Sapore (fisica)|sapore]] delle particelle coinvolte. I processi in cui interviene Z sono detti processi di [[corrente debole neutra]] e non implicano né un cambiamento di [[carica elettrica]] né di [[Sapore (fisica)|sapore]].
Il bosone W è maggiormente conosciuto per il suo ruolo nelle reazioni nucleari, che avvengono tramite [[decadimento beta]] dei [[neutroni]] del [[nucleo atomico]], per il quale un [[neutrone]] è convertito in un [[protone]] con l'emissione di un [[elettrone]] (che in questo contesto è detto [[particella β]]) e un [[antineutrino]]:

<math>\hbox{n}\to \hbox{p}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_e</math>

Il neutrone e il protone non sono particelle fondamentali, bensì composte da tre [[quark (particella)|quark]]; in particolare, il neutrone è formato da due [[quark down]] e un [[quark up]] (ddu) e il protone da due quark up e un quark down (uud). A questo livello, il decadimento beta è dato dunque da un quark d che cambia sapore e diventa un quark u, con l'emissione di un W<sup>-</sup>:

: <math>\hbox{d}\to \hbox{u}+\hbox{W}^-</math>

il quale a sua volta decade immediatamente in un elettrone e un antineutrino elettronico:

: <math>\hbox{W}^-\to \hbox{e}^-+\overline{\nu}_e</math>

I processi che coinvolgono Z, lasciando inalterata la carica e il sapore delle particelle, sono di più difficile osservazione e richiedono l'utilizzo di [[acceleratori di particelle]] e sofisticati [[Rivelatore di particelle|rivelatori]]. La prima evidenza di processi di corrente neutra, ottenuta nella [[camera a bolle]] [[Gargamelle]] al [[CERN]] nel [[1973]], segue di quarant'anni le teorie sul decadimento beta.

== Predizione teorica dei bosoni W e Z ==
L'introduzione dei bosoni W e Z nelle teorie fisiche discende dal tentativo di costruire un modello per descrivere l'interazione debole che fosse simile all'efficace teoria dell'[[elettrodinamica quantistica]] (sviluppata negli anni cinquanta del [[XX secolo|Novecento]] per la descrizione dei processi elettromagnetici coerente con la [[meccanica quantistica]]) e che si riconducesse alla [[Interazione di Fermi|teoria di Fermi dell'interazione debole]]. Il culmine di questo sforzo si ebbe alla fine degli anni sessanta, quando [[Sheldon Glashow]], [[Steven Weinberg]] e [[Abdus Salam]] proposero la [[teoria elettrodebole]], che vede unificate in un'unica interazione la [[forza debole]] e quella [[Forza elettromagnetica|elettromagnetica]]. Tale teoria, oltre a prevedere i bosoni W per mediare il decadimento beta, postulava un secondo bosone vettore, il bosone Z. I risultati del rivelatore Gargamelle al CERN furono la prima valida conferma della teoria elettrodebole.

Il fatto che i bosoni W e Z siano molto massivi fu uno dei principali ostacoli allo sviluppo della teoria elettrodebole. Essa infatti è una [[teoria di gauge]] [[SU(2)]]<math>\otimes</math>[[U(1)]], ma nelle teorie di gauge i bosoni sono senza massa, come accade per il [[fotone]] nell'elettrodinamica quantistica, descritta da una teoria di gauge [[U(1)]]. Il modo in cui si genera una massa senza rinunciare alla [[simmetria di gauge]] della teoria è detto [[rottura spontanea di simmetria]] e la più accreditata spiegazione di questo processo è il [[meccanismo di Higgs]]. Tale meccanismo prevede l'esistenza di un'ulteriore particella, il [[bosone di Higgs]].

La combinazione della teoria di gauge SU(2)<math>\otimes</math>U(1) per l'interazione elettrodebole e del meccanismo di Higgs è nota come modello di Glashow-Weinberg-Salam. Per questo lavoro, i tre fisici vinsero il [[Premio Nobel per la fisica]] nel [[1979]] e tale modello costituisce attualmente uno dei pilastri del [[Modello Standard]].

== Interazione del bosone di Higgs ==
Consideriamo il gruppo di simmetria introdotto da [[Sheldon Lee Glashow|Glashow]]: <math> SU_L(2) \times U_Y(1) </math>.

Per effettuare una trasformazione di fase locale di tale gruppo, introduciamo una opportuna [[derivata covariante]]:

<math>\partial_{\mu} \to D_{\mu}= \partial_{\mu}-ig \sum^3_{a=1}\tau^{a} \vec{W}^{a}_{\mu}-i\frac{g'}{2}YB_{\mu}</math>

Applichiamo semplicemente questa derivata al campo di Higgs definito come:

<math>\phi(x)= \left( \begin{array}{cc} H^0 \\ H^- \end{array} \right)</math>

<math>D_{\mu} \phi(x)= \left[\partial_{\mu}-ig \sum^3_{a=1}\tau^{a} \vec{W}^{a}_{\mu}-i\frac{g'}{2}YB_{\mu}\right]\phi(x) </math>

Dove <math>\tau^a</math> sono le [[matrici di Pauli]], avendo definito i [[Insieme di generatori|generatori del gruppo]] come

<math>  [\vec{G}] = \left[ \frac{ \vec{\tau}}{2} ; \frac{1}{2}\right]</math>

Questo comporta la [[rottura spontanea di simmetria]] di tutti e quattro i generatori del campo del vuoto:

<math>G^i \phi_{VAC}(x)\neq \left(\phi_{VAC}'(x)\right) \qquad i=1...4</math>

Vogliamo invece che uno dei generatori non acquisti massa, quindi dobbiamo imporre che almeno uno dei generatori tra i quattro verifichi:

<math>G' \phi_{VAC}(x)= \left(\phi_{VAC}'(x)\right)</math>

quindi

<math>G'=\frac{1}{2} \left( \begin{array}{cc} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{array} \right)= \frac{1}{2}(1+ \tau^3)= \frac{1}{2}H_W+I^3_{W}</math>

Avendo così ridefinito uno dei generatori, dobbiamo ridefinire anche le derivate covarianti e i parametri liberi g e g'. Lo facciamo introducendo un nuovo parametro:<math>\theta_W</math>, l'[[angolo di Weinberg]].

I nuovi parametri saranno:

<math>g\sin \theta_W = g' \cos \theta_W \quad \tan \theta_W =\frac{g'}{g}</math>

Effettuiamo quindi una rotazione unitaria dei campi <math>W^3_{\mu}</math> e <math>B_{\mu}</math> in modo tale da ottenere che il bosone vettore che moltiplica il nuovo generatore <math>\frac{1}{2}(1+ \tau^3)</math>, corrisponda proprio al fotone <math>A_{\mu}</math>.

<math> B_{\mu}= \cos \theta_W A_{\mu}+ \sin \theta_{W} Z_{\mu}</math>

<math> W^3_{\mu}= \sin \theta_W A_{\mu}- \cos \theta_W Z_{\mu}</math>

== Osservazioni dirette ==
[[File:Carlo_Rubbia_2012.jpg|thumb|[[Carlo Rubbia]], [[premio Nobel per la Fisica|Premio nobel per la fisica 1984]] assieme a [[Simon van der Meer]] per la rilevazione sperimentale dei bosoni W e Z]]
L'osservazione diretta dei bosoni W e Z è stata possibile solo in seguito alla costruzione di acceleratori abbastanza potenti da produrre queste particelle così massive. Il primo segnale di W si ebbe nel gennaio del [[1983]] grazie all'utilizzo dell'acceleratore SPS ([[Super Proton Synchrotron]]) del CERN durante gli esperimenti [[UA1]] (condotto da [[Carlo Rubbia]]) e [[UA2]], realizzati grazie agli sforzi di una grande collaborazione di scienziati. Pochi mesi più tardi avvenne l'osservazione di Z. Tali risultati sono stati possibili grazie all'introduzione da parte di [[Simon van der Meer]] della tecnica del [[raffreddamento stocastico]]. La scoperta fu così sensazionale che Rubbia e van Der Meer furono insigniti del Premio Nobel per la fisica soltanto un anno dopo i loro sforzi, con una tempistica decisamente accelerata rispetto a quelle usuali della Fondazione Nobel.

La successiva costruzione di [[Acceleratore di particelle|collisori]] [[elettrone]]-[[positrone]] come il [[Large Electron-Positron Collider]] (CERN), e lo Stanford Linear Collider ([[SLAC]]) e di più potenti collisori protone-antiprotone (come [[Tevatron]] al [[Fermilab]]) alla fine degli anni 1980, in grado di raggiungere energie maggiori rispetto a quelle a disposizione con SPS, ha permesso una più elevata produzione dei bosoni W e Z e dunque uno studio più approfondito delle loro proprietà.
 
Questi collisori sono stati anche utilizzati, senza successo, per la ricerca di tracce indirette del bosone di Higgs, mentre le tracce di una particella compatibile con tale bosone sono state osservate in esperimenti condotti con il più potente [[Large Hadron Collider]] (LHC) al [[CERN]].

Un risultato molto importante che si ricava studiando i decadimenti del bosone Z è che esistono solo tre famiglie di neutrini con massa minore di m<sub>Z</sub>/2 e perciò molto probabilmente vi sono solo tre famiglie di fermioni fondamentali:

# [[elettrone]], [[neutrino]] elettronico, [[quark up]], [[quark down]];
# [[muone]], [[neutrino]] muonico, [[quark strange]], [[quark charm]];
# [[tauone|tau]], [[neutrino]] tauonico, [[quark bottom]] (o beauty), [[quark top]] (o truth).

== Bosoni W e supersimmetrie ==
Un problema relativo ai bosoni W<sup>+</sup> è che, secondo il modello di [[supersimmetria]] [[SU(5)]], ad energie di 1 [[elettronvolt|TeV]] un bosone W<sup>+</sup> ha probabilità maggiore di 1 di diffondere un altro bosone W<sup>+</sup>: il che è come dire che, comunque si spari, si farà centro sul bersaglio. Si spera che con l'osservazione del [[bosone di Higgs]] si possa [[rinormalizzazione|rinormalizzare]] la previsione, portando la probabilità a valori minori di 1.

La stessa teoria prevede che il [[protone]] possa decadere, trasformandosi in un quark ed in un antiquark e un W<sup>+</sup>, più altre particelle.

== Voci correlate ==
* [[Bosone di Higgs]]
*[[Bosone vettore assiale]]
* [[Bosoni X e Y]]
* [[Interazione debole]]

== Altri progetti ==
{{interprogetto}}

== Collegamenti esterni ==
* {{en}} [http://pdg.lbl.gov/ The Review of Particle Physics] le informazioni più aggiornate sulle proprietà delle particelle.
* {{en}} [https://web.archive.org/web/20050416075202/http://intranet.cern.ch/Chronological/Announcements/CERNAnnouncements/2003/09-16WZSymposium/Courier/HeavyLight/Heavylight.html W and Z] tra le pagine del CERN

{{particelle}}
{{portale|fisica}}

[[Categoria:Bosoni di gauge]]
[[Categoria:Modello standard]]